Questa immagine del telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA mostra l'enorme ammasso di galassie MACSJ 1206. Incorporate all'interno dell'ammasso ci sono le immagini distorte di lontane galassie sullo sfondo, visti come archi e tratti sbavati. Queste distorsioni sono causate dalla materia oscura nell'ammasso, la cui gravità piega e ingrandisce la luce di lontane galassie, un effetto chiamato lente gravitazionale. Questo fenomeno consente agli astronomi di studiare galassie remote che altrimenti sarebbero troppo deboli da vedere. Credito:NASA, ESA, G. Caminha (Università di Groninga), M. Meneghetti (Osservatorio di Astrofisica e Scienze Spaziali di Bologna), P. Natarajan (Università di Yale), la squadra CLASH, e M. Kornmesser (ESA/Hubble)
Le osservazioni del telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA e del Very Large Telescope (VLT) dell'Osservatorio europeo meridionale in Cile hanno scoperto che potrebbe mancare qualcosa alle teorie sul comportamento della materia oscura. Questo ingrediente mancante potrebbe spiegare perché i ricercatori hanno scoperto una discrepanza inaspettata tra le osservazioni delle concentrazioni di materia oscura in un campione di enormi ammassi di galassie e le simulazioni teoriche al computer di come la materia oscura dovrebbe essere distribuita negli ammassi. Le nuove scoperte indicano che alcune concentrazioni su piccola scala di materia oscura producono effetti di lente che sono 10 volte più forti del previsto.
La materia oscura è la colla invisibile che tiene le stelle, polvere, e gas insieme in una galassia. Questa misteriosa sostanza costituisce la maggior parte della massa di una galassia e costituisce il fondamento della struttura su larga scala del nostro Universo. Perché la materia oscura non emette, assorbire, o riflettere la luce, la sua presenza è nota solo attraverso la sua attrazione gravitazionale sulla materia visibile nello spazio. Astronomi e fisici stanno ancora cercando di stabilire di cosa si tratti.
ammassi di galassie, le strutture più massicce e di recente assemblaggio nell'Universo, sono anche i maggiori depositi di materia oscura. Gli ammassi sono composti da galassie individuali che sono tenute insieme in gran parte dalla gravità della materia oscura.
"Gli ammassi di galassie sono laboratori ideali in cui studiare se le simulazioni numeriche dell'Universo attualmente disponibili riproducono bene ciò che possiamo dedurre dalle lenti gravitazionali, " ha detto Massimo Meneghetti dell'INAF-Osservatorio di Astrofisica e Scienze Spaziali di Bologna in Italia, l'autore principale dello studio.
"Abbiamo testato molto i dati in questo studio, e siamo sicuri che questa discrepanza indica che manca qualche ingrediente fisico o dalle simulazioni o dalla nostra comprensione della natura della materia oscura, "aggiunse Meneghetti.
"C'è una caratteristica dell'Universo reale che semplicemente non stiamo catturando nei nostri attuali modelli teorici, " ha aggiunto Priyamvada Natarajan della Yale University nel Connecticut, NOI., uno dei teorici più anziani della squadra. "Questo potrebbe segnalare una lacuna nella nostra attuale comprensione della natura della materia oscura e delle sue proprietà, poiché questi dati squisiti ci hanno permesso di sondare la distribuzione dettagliata della materia oscura su scale più piccole".
La distribuzione della materia oscura negli ammassi viene mappata misurando la curvatura della luce, l'effetto di lente gravitazionale, che producono. La gravità della materia oscura concentrata in ammassi ingrandisce e distorce la luce proveniente da oggetti distanti sullo sfondo. Questo effetto produce distorsioni nelle forme delle galassie di sfondo che appaiono nelle immagini degli ammassi. Le lenti gravitazionali possono spesso anche produrre più immagini della stessa galassia lontana.
Maggiore è la concentrazione di materia oscura in un ammasso, più drammatico è il suo effetto di piegatura della luce. La presenza di ammassi di materia oscura su scala ridotta associati a singoli ammassi di galassie aumenta il livello di distorsioni. In un certo senso, l'ammasso di galassie agisce come un obiettivo su larga scala che ha molti obiettivi più piccoli incorporati al suo interno.
Le immagini nitide di Hubble sono state scattate dalla Wide Field Camera 3 e dalla Advanced Camera for Surveys del telescopio. Accoppiato con gli spettri del Very Large Telescope (VLT) dell'Osservatorio europeo meridionale, il team ha prodotto un accurato, alta fedeltà, mappa della materia oscura. Misurando le distorsioni della lente, gli astronomi potrebbero tracciare la quantità e la distribuzione della materia oscura. I tre ammassi di galassie chiave, MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403, e Abell S1063, were part of two Hubble surveys:The Frontier Fields and the Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble (CLASH) programs.
This Hubble Space Telescope image shows the massive galaxy cluster MACSJ 1206. Embedded within the cluster are the distorted images of distant background galaxies, seen as arcs and smeared features. These distortions are caused by the dark matter in the cluster, whose gravity bends and magnifies the light from faraway galaxies, an effect called gravitational lensing. This phenomenon allows astronomers to study remote galaxies that would otherwise be too faint to see. Astronomers measured the amount of gravitational lensing caused by this cluster to produce a detailed map of the distribution of dark matter in it. Dark matter is the invisible glue that keeps stars bound together inside a galaxy and makes up the bulk of the matter in the Universe. The Hubble image is a combination of visible- and infrared-light observations taken in 2011 by the Advanced Camera for Surveys and Wide Field Camera 3. Credit:NASA, ESA, G. Caminha (University of Groningen), M. Meneghetti (Observatory of Astrophysics and Space Science of Bologna), P. Natarajan (Yale University), and the CLASH team.
Con sorpresa della squadra, in addition to the dramatic arcs and elongated features of distant galaxies produced by each cluster's gravitational lensing, the Hubble images also revealed an unexpected number of smaller-scale arcs and distorted images nested near each cluster's core, where the most massive galaxies reside. The researchers believe the nested lenses are produced by the gravity of dense concentrations of matter inside the individual cluster galaxies. Follow-up spectroscopic observations measured the velocity of the stars orbiting inside several of the cluster galaxies to therby pin down their masses.
"The data from Hubble and the VLT provided excellent synergy, " shared team member Piero Rosati of the Università degli Studi di Ferrara in Italy, who led the spectroscopic campaign. "We were able to associate the galaxies with each cluster and estimate their distances."
"The speed of the stars gave us an estimate of each individual galaxy's mass, including the amount of dark matter, " added team member Pietro Bergamini of the INAF-Observatory of Astrophysics and Space Science in Bologna, Italia.
By combining Hubble imaging and VLT spectroscopy, the astronomers were able to identify dozens of multiply imaged, lenti, background galaxies. This allowed them to assemble a well-calibrated, high-resolution map of the mass distribution of dark matter in each cluster.
The team compared the dark-matter maps with samples of simulated galaxy clusters with similar masses, located at roughly the same distances. The clusters in the computer model did not show any of the same level of dark-matter concentration on the smallest scales—the scales associated with individual cluster galaxies.
"The results of these analyses further demonstrate how observations and numerical simulations go hand in hand", said team member Elena Rasia of the INAF-Astronomical Observatory of Trieste, Italia.
"With high-resolution simulations, we can match the quality of observations analyzed in our paper, permitting detailed comparisons like never before, " added Stefano Borgani of the Università degli Studi di Trieste, Italia.
astronomi, including those of this team, look forward to continuing to probe dark matter and its mysteries in order to finally pin down its nature.
